CN106051058A - 用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架及其传动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种传动机构，其特征在于，包括套设在旋转体上的回转支承，在回转支承的外圈上紧固有销轮，至少两个齿轮与销轮的销齿相啮合形成销齿传动，齿轮与零背隙减速机相联结，零背隙减速机与两台由具有双伺服电机驱动消隙技术的数控系统控制的交流伺服电机的输出轴直接相连。本发明的另一个技术方案是提供了一种用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架，包括旋转体，其特征在于，由上述的传动机构驱动旋转体旋转，在旋转体的前后两端分别设有前旋转动力底座及后旋转托架底座。本发明设计的旋转机架采用一圈大承重滚柱组成支撑旋转机架的承重机座，配合齿轮或销齿无滑差驱动和定位，同时也是靠齿轮或销齿按一定的速比无滑差取得旋转的角度值。

Description

用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架及其传动机构
技术领域
本发明涉及一种可用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架，能承载10吨～1000吨磁铁等部件，是能够360°多圈数回转、高精度定位、噪音极低的超大型回转部件。本发明还涉及上述旋转机架的传动机构。
背景技术
航天贮箱等结构属于铝合金薄壁网格焊接结构，结构焊缝存在多种形状尺寸，如直线纵缝、曲线纵缝、空间二次曲面焊缝、对接环缝和法兰-瓜瓣相贯线焊缝等。接头受力复杂，如筒段纵缝和对接环缝仅承受单向拉伸应力，箱底曲线焊缝则承受复杂的双向拉伸应力，而且越靠近箱底顶部应力幅值越大，对接头的抗拉强度和韧性(即延伸率)的要求就越高。同时，由于贮箱、节点舱、功能舱属于压力容器结构，对结构焊缝的残余应力与变形非常敏感，对高质量、低应力、无变形的新型固相焊接技术——搅拌摩擦焊的应用需求迫切。采用数控搅拌摩擦焊技术还有一个固有的工艺优势：能够实现精密数控车铣加工与精密数控焊接的无缝集成，其通用性和互换性最优。
质子、重离子治疗仪是目前世界上最先进、也是最昂贵的超大型尖端医疗设备，其优点就在于它是一种“立体定向爆破”的放疗技术。质子治疗不同于常规放射治疗，质子、重离子进入人体后，由于电离作用其能量逐渐损失，在射程的开始阶段，由于其速度快，在体内与正常组织或细胞发生作用的机会低，其能量损失小，从而对组织或细胞的损伤小。当质子、重离子达到其射程终点时，速度突然降低并停止，释放最大能量，形成一个尖锐的剂量峰称为Bragg峰，从而对射程终点处的组织或细胞产生最强的杀伤作用。
如图1所示，为质子、重离子治疗仪的构成框图，从该构成框图中可以看到旋转机架是位于整个治疗仪的中心位置，装在旋转机架上的束流运输系统(运输质子的10吨～250吨，运输重离子的100吨～1000吨)把质子或重离子送到治疗头，再打到需要的地方，实现治疗的目的。旋转机架实际上是医生对病人进行治疗的治疗室。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架。本发明的另一个目的是提供一种上述旋转机架的传动机构。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种传动机构，其特征在于，包括套设在旋转体上的回转支承，在回转支承的外圈上紧固有销轮，至少两个齿轮与销轮的销齿相啮合形成销齿传动，齿轮与零背隙减速机相联结，零背隙减速机与两台由具有双伺服电机驱动消隙技术的数控系统控制的交流伺服电机的输出轴直接相连。
优选地，所述旋转体与所述回转支承为一体。
优选地，在所述主旋转体的外圆设计出滚道结构作为回转支承的内圈，内圈与外圈间装上圆柱滚子形成完整的回转支承。
本发明的另一个技术方案是提供了一种用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架，包括旋转体，其特征在于，由上述的传动机构驱动旋转体旋转，在旋转体的前后两端分别设有前旋转动力底座及后旋转托架底座，前旋转动力底座与后旋转托架底座对旋转体形成前后双怀抱式回转支撑结构，旋转体的后端靠尾部中心托架支撑。
优选地，在所述旋转体的前后两端分别形成有一段轴肩，在所述前旋转动力底座及所述后旋转托架底座的内圆周面上分别形成有内孔，内孔与相应位置的轴肩相配合后形成内怀抱结构。
优选地，在所述后旋转托架底座与所述旋转体间设有薄膜圆环，在所述旋转体上设有与薄膜圆环相通的充气孔，正常工作时，所述旋转体与所述后旋转托架底座不接触，可相互转动，制动时，外部设备经由所述旋转体上的充气孔对薄膜圆环充气，充气后的薄膜圆环膨胀变形，使得所述后旋转托架底座或所述前旋转动力底座与所述旋转体相接触，使得所述旋转体停止旋转。
优选地，所述尾部中心托架内部带有线缆收放的圆筒机构。
本发明不仅可以用于质子、重离子治疗仪，还可以用于航天贮箱等结构的焊接。通过开发通用主轴接口即可实现结构焊缝坡口精密加工与精密数控搅拌摩擦焊的平滑转换，在一个工位上顺序实现结构焊缝的加工与焊接。
本发明提供的旋转机架的控制作用主要有三种：
1、束流光学段的控制，在旋转机架束流线入口处，在135°偏转磁铁B2G1入口处的两个束流截面位置探头，以及在治疗头的入口处的束流位置探头所测到的束流参数信号，由控制计算机的一个束流调整算法自动控制稳定在允许准直误差之内。
2、CT预扫描定位。
3、旋转机架的旋转控制。目前世界上的旋转机架都基于“采用八个承重圆柱来支撑旋转机架的环形轨道”(如比利时IBA公司等的产品)，或“采用二个大承重滚轮来支撑旋转机架的环形轨道”(如日本三菱公司为日本兵库、静冈和群马等处承建的产品)，靠摩擦力(有滑差)驱动整个旋转支架的旋转和定位，同时也是靠摩擦力(有滑差)取得旋转的角度值。
本发明设计的旋转机架“采用一圈大承重滚柱组成支撑旋转机架的承重机座”配合齿轮或销齿无滑差驱动和定位，同时也是靠齿轮或销齿按一定的速比无滑差取得旋转的角度值。其中这个承重机座和数控系统相连，不仅用于工作状态(转动角度、转动速度、转动加速度、制动停止等)的测量，还用作减速刹车和紧急情况下的“安全制动”。
附图说明
图1为质子、重离子治疗仪的构成框图；
图2为本发明应用在质子、重离子治疗仪后的结构示意图；
图3为本发明应用在质子、重离子治疗仪后的内部结构示意图；
图4为本发明的传动机构的示意图；
图5为本发明的传动机构的原理图；
图6A为本发明中的薄膜圆环部分的安装示意图；
图6B为图6A中I部分的局部放大示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
以下以将本发明应用在质子治疗仪、重离子治疗仪为例，对本发明进行进一步说明。
本发明的目的是提供一种高承载、高精度旋转和定位、低噪音的回转部件，其可以用于质子治疗仪、重离子治疗仪的旋转机架。
质子、重离子治疗仪的原理如图1所示：束流经过加速器加速后进入旋转机架，要经过许多块磁铁偏转、聚焦，通过治疗头打到肿瘤上。为使通过的束流保持所需的要求特征，需要治疗计划系统、治疗控制系统、定位准直系统的协同控制。
结合图2及图3，本实施例提供的大型、精密、环抱式旋转机架及其传动机构应用在质子、重离子治疗仪后，主要由质子发射器和回转体集成构成。其中质子发射器由转向磁铁10、束流管路和阀门11、校正(聚焦)磁铁12、束流发射头13组成，各部件之间通过束流管路整合为一个整体，并与回转体集成固定在一起。回转体集成由安装与维修通道14、前旋转动力底座6(驱动轮上装绝对位置多圈编码器)、后旋转托架底座7、销齿传动系统、尾部中心托架9、旋转体1、配重支架17、浮动梁治疗室15、六轴治疗床16等组成。其中，旋转体1的尾部靠尾部中心托架9来支撑。旋转体1两端分别有前旋转动力底座6和后旋转托架底座7支撑。销齿传动系统做则做为旋转体1的动力驱动部件固定于一端。配重支架17固定在旋转体1的中间位置，并随之一起转动。旋转体1的前端内部设计有浮动梁治疗室15，浮动梁治疗室15不会随旋转体1一起转动。六轴治疗床16则安置在浮动梁治疗室15内。
如图2所示，后旋转托架底座7、前旋转动力底座6构成一种前后双怀抱式回转支撑结构。旋转体1两端有一段轴肩，与后旋转托架底座7及前旋转动力底座6的内孔相互配合，形成内怀抱结构，起到支撑、固定的作用。这种支撑机构可以方便安装束流运输的各种角度摆动磁铁、把质子或重离子送到肿瘤病灶的束流发射头、还可以安装寻找肿瘤并实现定位的CT部件。
本实例所用销齿传动系统采用的是“滚柱式回转支撑+销齿(刚性)传动方式。如图4及图5所示，滚柱式回转支承与旋转体1为一体，旋转体1的外圆设计出滚道结构作为回转支承的内圈，在滚道外圈与内圈之间装上圆柱滚子形成完整的回转支承。销轮3通过螺钉紧固在滚柱式回转支承的外圈上。由电机带动齿轮4-1、4-2与销轮3上的销齿啮合(图5中序号5指向啮合线)，从而带动整个旋转体1的转动。该结构代替国外“双托轮支撑+摩檫(软性，也称为“弹性”)传动”结构，其体积更小、强度更高、抗倾覆力以及承载强度更是滚轮无法比拟的。
本实施例提供的一种低噪音高精度的销轮或齿轮相啮合的传动系统能够实现无滑差传动，不会像摩擦轮传动系统产生滑差误差，提高定位精度，使定位精度从0.1°提高到0.001°。
本实例采用无间隙驱动，这是一种新型无间隙的高精度驱动系统，由两台交流伺服电机+零背隙减速机组成。两台交流伺服电机输出轴与零背隙减速机直接相连，然后再与齿轮4-1、4-2相连，齿轮4-1、4-2与销轮3组成销齿传动，从而带动整个旋转体1转动。本实施例使用具有“双伺服电机驱动消隙技术”的数控系统，通过张紧扭矩有效的克服机械传动链带来的传动间隙误差；同时利用两套响应频带很宽的伺服电机系统构成联动系统，使系统在动态消除传动间隙的同时实现高速响应的随动控制，从而提高机床静、动态的传动精度和平稳过渡各种不同的负载区域。
如图6A及图6B所示，本发明采用薄膜圆环8作为制动器实现快速制动。薄膜圆环8位于后旋转托架底座7和旋转体1之间。充气前，后旋转托架底座7和旋转体1不发生接触，可以相互转动。利用专用设备通过旋转体1上的充气孔快速对薄膜圆环8充气，充气后薄膜圆环8膨胀会发生变形，使后旋转托架底座7和旋转体1发生接触，产生均匀而巨大的整个圆周的制动摩擦力，把旋转体1整体拖住，可在10ms内产生紧急制动扭矩，实现ms级的制动。
尾部中心托架9内部带有线缆收放的圆筒机构，可以随线缆转动，确保机架能实现±360°以上的旋转。
本发明的整机电气控制采用PLC自控单元，由自控单元输出0～10V电平信号给变频调速单元、供同步伺服电机驱动执行机构，转速稳定且分手动连续可调与程序自动控制，实际转速采用数字实时显示。
本发明除了可以应用在质子、重离子治疗仪，还可以应用在航天贮箱等结构的焊接中。
航天贮箱等结构属于铝合金薄壁网格焊接结构，结构焊缝存在多种形状尺寸，如直线纵缝、曲线纵缝、空间二次曲面焊缝、对接环缝和法兰-瓜瓣相贯线焊缝等。这种结构件的加工多采用搅拌摩擦焊技术，而焊接过程中多筒状贮箱等结构的装夹和精确定位同样可以用到上述旋转机架及其传动机构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种传动机构，其特征在于，包括套设在旋转体(1)上的回转支承，在回转支承的外圈上紧固有销轮(3)，至少两个齿轮与销轮(3)的销齿相啮合形成销齿传动，齿轮与零背隙减速机相联结，零背隙减速机与两台由具有双伺服电机驱动消隙技术的数控系统控制的交流伺服电机的输出轴直接相连。
2.如权利要求1所述的一种传动机构，其特征在于，所述旋转体(1)与所述回转支承为一体。
3.如权利要求2所述的一种传动机构，其特征在于，在所述主旋转体(1)的外圆设计出滚道结构作为回转支承的内圈，内圈与外圈间装上圆柱滚子形成完整的回转支承。
4.一种用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架，包括旋转体(1)，其特征在于，由如权利要求1所述的传动机构驱动旋转体(1)旋转，在旋转体(1)的前后两端分别设有前旋转动力底座(6)及后旋转托架底座(7)，前旋转动力底座(6)与后旋转托架底座(7)对旋转体(1)形成前后双怀抱式回转支撑结构，旋转体(1)的后端靠尾部中心托架(9)支撑。
5.如权利要求4所述的一种用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架，其特征在于，在所述旋转体(1)的前后两端分别形成有一段轴肩，在所述前旋转动力底座(6)及所述后旋转托架底座(7)的内圆周面上分别形成有内孔，内孔与相应位置的轴肩相配合后形成内怀抱结构。
6.如权利要求4所述的一种用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架，其特征在于，在所述后旋转托架底座(7)与所述旋转体(1)间设有薄膜圆环(8)，在所述旋转体(1)上设有与薄膜圆环(8)相通的充气孔，正常工作时，所述旋转体(1)与所述后旋转托架底座(7)不接触，可相互转动，制动时，外部设备经由所述旋转体(1)上的充气孔对薄膜圆环(8)充气，充气后的薄膜圆环(8)膨胀变形，使得所述后旋转托架底座(7)或所述前旋转动力底座(6)与所述旋转体(1)相接触，使得所述旋转体(1)停止旋转。
7.如权利要求4所述的一种用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架，其特征在于，所述尾部中心托架(9)内部带有线缆收放的圆筒机构。
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